虛擬現(xiàn)實技術(shù)在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)中的應(yīng)用研究

權(quán)亞楠，王夢蝶

（1.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000；2.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000）

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種新興的高新技術(shù)，涉及人工智能、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、計算機圖形學(xué)等多個方面，利用計算機強大的計算與圖形處理能力，根據(jù)原物又脫離原物來構(gòu)建一種可以通過視覺、觸覺、聽覺多種手段來感受的虛擬環(huán)境。

虛擬現(xiàn)實有其自身的特點，如可以讓參與者有真實的體驗感并完全沉浸其中；人們還可以通過設(shè)備與這種虛擬的世界進行交互；它可以再現(xiàn)真實的環(huán)境和物體，也可以構(gòu)建完全不存在或科幻的事物。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)需要綜合應(yīng)用多種技術(shù)。其一，三維建模技術(shù)。三維建模技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬再現(xiàn)，也就是對真實的環(huán)境進行仿真。在建模之前，通過拍照、激光掃描、傳統(tǒng)測繪等手段獲取所需建模的三維數(shù)據(jù)，整理后并將其導(dǎo)入計算機三維建模軟件中。其二，真實繪制技術(shù)。只有具備真實的繪制技術(shù)，人們才會有置身其中的感覺，從而實現(xiàn)虛擬場景的真實感。針對此，虛擬現(xiàn)實就要模擬真實的視覺元素，如模擬對象的光學(xué)性質(zhì)、紋理、光滑程度、顏色、立體結(jié)構(gòu)等，最終使得虛擬效果接近真實的物體或環(huán)境。其三，三維全景技術(shù)。簡單而言，就是用相機對物體或環(huán)境進行360度全景拍攝，然后后期進行拼接和三維效果的展示，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過運用這種技術(shù)使得表現(xiàn)的畫面更加真實。

二、傳統(tǒng)民居簡述

傳統(tǒng)民居就是我們通常所說的“古村落”，是傳統(tǒng)聚落中的一種基本類型，古村落伴隨著人類文明的發(fā)展而逐步演化。我國的傳統(tǒng)民居深受中國傳統(tǒng)思想的影響，注重與自然的和諧統(tǒng)一，布局特征上體現(xiàn)了宗教、風(fēng)水、防御、詩畫意境等多個方面。

隨著經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，我國的一些傳統(tǒng)民居遭到了破壞甚至已經(jīng)消失，如何保護并傳承這些古村落文化是一項非常重要的任務(wù)。我國的傳統(tǒng)民居范圍十分廣大，包括的形式也十分多樣，文化資源十分豐富。通常我們習(xí)慣采用紙質(zhì)記載、圖片記錄、數(shù)據(jù)測繪等來記錄這些傳統(tǒng)民居，但這些方法存在一定的局限性，不能全方位、立體化地進行展示，不能滿足人們可視化和形象化的要求。虛擬現(xiàn)實技術(shù)很好地契合了這一點，通過對數(shù)據(jù)的采集、加工和整理，進行虛擬的構(gòu)建，最終進行展示和傳播。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)中的應(yīng)用價值

將數(shù)字影像處理技術(shù)、計算機模擬技術(shù)等與歷史建筑相結(jié)合，對于保護和復(fù)建歷史建筑具有重要的意義。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于傳統(tǒng)民居的重建和內(nèi)涵的重現(xiàn)的關(guān)鍵在于交互性的實現(xiàn)。借助計算機，我們可以更加深入地感受環(huán)境的空間變化，并沉浸其中。此時，我們對虛擬環(huán)境的操作也會再次得到相應(yīng)的反饋。交互的本質(zhì)在于高效的信息循環(huán)，與真實的環(huán)境或物體相比，虛擬空間的交互性可以達到信息的即時更新與即時互動。

以往，人們限于時間和費用，往往不能親身到歷史建筑景區(qū)實地進行體驗，但數(shù)字化的虛擬空間給公眾提供了一種便利的、自由的、靈活的參與體驗的機會，公眾就此可以了解我國的傳統(tǒng)民居，從而激發(fā)自身保護傳統(tǒng)民居的意識。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為我們架構(gòu)起了一座橋梁，讓我們可以即時地在網(wǎng)絡(luò)平臺上參觀傳統(tǒng)民居，這大大提高了人們的參與度。

四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)中的應(yīng)用原則和要求

虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬傳統(tǒng)民居的最重要原則就是真實生動的還原。人們打開傳統(tǒng)民居的虛擬系統(tǒng)，憑借其導(dǎo)航，可以對自己的位置進行調(diào)整，一般利用鼠標(biāo)或者鍵盤或者是通過佩戴頭盔來實現(xiàn)。如在一個傳統(tǒng)民居的門口，通過雙擊可以打開門，然后沿著彎彎曲曲的小路一直往前走，仿佛置身其中，邊走邊感受濃郁的鄉(xiāng)村特色。

基于此，對傳統(tǒng)民居的虛擬場景評價可以從五個方面來進行：真實度、交互度、使用度、沉浸度和專業(yè)度。真實度的衡量標(biāo)準(zhǔn)包括聽覺質(zhì)量、觸覺質(zhì)量、視覺質(zhì)量；交互度的評價指標(biāo)包括暢通性、準(zhǔn)確性和合理性；沉浸度的指標(biāo)包括元素的多樣性、元素的運動屬性以及物理狀態(tài)等。

五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)中的應(yīng)用過程

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)民居的再現(xiàn)中，大體分為三個階段：建筑數(shù)據(jù)收集階段、建立三維模型階段和虛擬現(xiàn)實場景應(yīng)用階段。

第一，傳統(tǒng)民居數(shù)據(jù)收集階段。在數(shù)據(jù)收集之前，首先需要對傳統(tǒng)民居的歷史文化、保護現(xiàn)狀以及與再現(xiàn)相關(guān)的一些信息制定一個書面形式的策劃書，讓所有參與人員對其都有所了解，明確各自的注意事項。（1）要結(jié)合項目的實際情況來確定虛擬現(xiàn)實的表現(xiàn)手法、交互的操作方法、渲染的過程、模型的制作等。根據(jù)項目團隊成員的技術(shù)情況選定好虛擬交互、虛擬漫游需要用到的軟件。（2）針對最終虛擬現(xiàn)實作品的應(yīng)用平臺不同，其中需要注意的問題也不同，比如是用在虛擬實驗室還是將其放在普通的計算機上。（3）結(jié)合項目要求，確定虛擬現(xiàn)實作品的文件大小、分辨率要求等。（4）根據(jù)完成項目的時間，制定詳細的工作計劃，其中包括每個人的分工、工作量、質(zhì)量保證等。

數(shù)據(jù)收集的主要手段就是照片的拍攝。照片能真實地反映傳統(tǒng)民居的變化，這是再現(xiàn)傳統(tǒng)民居的重要的參考資料，比如門窗匯編等。拍攝照片時全景、近景、局部特寫相結(jié)合，同時要分類拍攝，如建筑的構(gòu)建、裝飾的細節(jié)、結(jié)構(gòu)形式等，然后依次對這些照片進行編號，資料分類整理能夠提高開發(fā)效率，為后期模型制作人員提供便利。這些照片信息密度高，具有很強的完整性，能夠還原民居的大量細節(jié)。

第二，建立三維模型階段。三維建模軟件主要有Sketch Up和3DSMAX。Sketch Up優(yōu)點在于生成的文件體積小，能夠滿足大部分的建模需求，缺點是精度不高。Sketch Up建模具有快捷性，操作界面簡潔，在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)應(yīng)用中，可以快速地進行效果預(yù)覽。其強大的可視化功能也極大地豐富了空間的視覺呈現(xiàn)，可以提供實時預(yù)覽服務(wù)。Sketch Up建模軟件導(dǎo)入了虛擬現(xiàn)實的開發(fā)理念，強調(diào)建模的速度與操作的便捷，簡化模型的細節(jié)和精度，降低了對CAD圖紙的要求，因此大大簡化了操作界面，并設(shè)置了強大的功能，以此提高建模效率，減輕計算機的運行負擔(dān)。

3DSMAX較Sketch Up有了更高的精度，渲染的畫面效果十分精良，能夠完美地呈現(xiàn)細節(jié)，但是由于體積大，設(shè)備的計算壓力非常大。3DSMAX對CAD圖紙的要求比較高，繪制的重點應(yīng)該是立面圖和剖面圖，而且應(yīng)該實現(xiàn)一一對應(yīng)。此外，前期的數(shù)據(jù)測量，其誤差越小，則最終的呈現(xiàn)效果與真實的場景越接近。

Lumion可以對地形或場景進行強大的優(yōu)化處理，比如想改變地形表面的粗糙程度，可以通過其拉伸功能，也可以生成與真實的環(huán)境相接近的自然肌理，比如梯田，可以優(yōu)化成巖石砌面；又如村莊，可以優(yōu)化為被湖泊環(huán)繞。

第三，虛擬場景應(yīng)用階段。首先是基于虛擬現(xiàn)實的編輯和瀏覽，主要是Lumion和Sketch Up結(jié)合使用，不同材質(zhì)的物品可以通過導(dǎo)入不同的色塊進行區(qū)分，然后利用Lumion進行貼材質(zhì)，并進行優(yōu)化修改。其次是基于虛擬現(xiàn)實的靜態(tài)圖渲染與動畫制作。Lumion與其他三維軟件比較具有渲圖快的特點，同等條件下比其他軟件比較，渲圖時間可以快十倍，這極大地提高了工作效率，它還具有夜間可視化渲染系統(tǒng)，比如它可以把天空轉(zhuǎn)換成壯觀的星空景象，當(dāng)然還會輝映著淡淡的月光，該渲染引擎的另一特色是改進了色調(diào)映射和屏幕空間環(huán)境光遮蔽，Act-3D的演示場景效果看起來相當(dāng)不錯。然后是實驗體驗檢測。在基本建立了虛擬漫游系統(tǒng)之后，需要讓使用者進行實驗體驗，并且對整個系統(tǒng)進行檢測，比如膨脹檢測。虛擬環(huán)境中，用戶的交互和物體的運動可能會導(dǎo)致物體間經(jīng)常發(fā)生膨脹，并計算相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，更新繪制結(jié)果。否則，物體間會發(fā)生穿透現(xiàn)象。發(fā)生問題需要及時反饋修改，保證最終的漫游體驗的真實感。

第四，測試階段。對虛擬現(xiàn)實作品進行測試、調(diào)整和改進。測試虛擬現(xiàn)實作品的兼容性、穩(wěn)定性和通用性是測試的主要目標(biāo)，測試方法分為多種：一是在不同的操作平臺進行測試；二是在不同配置的機器設(shè)備進行測試；三是由不同的使用者來進行測試；四是在前面三種方式的基礎(chǔ)上進行交叉測試。

六、總結(jié)與展望

目前，很多虛擬再現(xiàn)應(yīng)用得到廣泛應(yīng)用。越來越多的傳統(tǒng)民居被還原，政府、科研機構(gòu)、博物館、大學(xué)、公司、個人都不斷地參與到虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用和研究上，設(shè)計團隊日趨合理。

但是，仍然有一些困難存在，比如對傳統(tǒng)民居周邊環(huán)境的再現(xiàn)是十分困難的，一方面是由于其周邊環(huán)境是不規(guī)則的物體，模型制作難度大；另一方面，這種復(fù)雜的環(huán)境對計算機的渲染能力要求很高，將實際的周邊環(huán)境和虛擬的古傳統(tǒng)民居結(jié)合起來將會是一個方向。

相信隨著科學(xué)的不斷進步將會出現(xiàn)越來越多的優(yōu)良的設(shè)備，也會出現(xiàn)越來越多的專業(yè)人才，只有設(shè)備和技術(shù)更好地結(jié)合起來，才能更好地對我國傳統(tǒng)的民居進行虛擬再現(xiàn)。